数据采集模块设计概要

MPS芯源系统 2024-10-31 567

描述

ADC（数模转换器）是一种广泛应用于商业、工业、医疗、通讯等多种领域的混合集成电路芯片，在各种设备中充当了模拟世界和数字世界之间必不可少的桥梁。ADC 确保了模拟信号能够被各类感知、测量与控制系统有效地监测、控制和处理。我们常通过各种传感器来感知现实物理世界中各种的参数，由前端传感器将各种物理参数如流量、光强、姿态、加速度、距离、温度、压力等按照特定的函数关系转换成电压或者电流信号，然后再由 ADC 器件将这些模拟量转换成数字量。

我们可以把包含前端信号调理电路、ADC 模数转换器、微处理器构成的电路功能块称之为数据采集模块（DAQ Module）。在设计数据采集模块时，ADC 是一个非常关键的有源器件，它能够将模拟信号转换为数字信号，供后续处理器（MCU/DSP/FPGA）或其他数字电路进行数据处理与分析。

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数模转换器

MPS 今年发布了一款工业级高速 12 位 ADC：MDC97476（12bit, 1Msps, TSOT-23-6），并将于近期陆续发布微尺寸 16 位 ADC、高精度 24 位 ADC，以满足严苛的工业应用环境下的数据采集需求。

数据采集模块的基本要点

01选择合适的 ADC 类型

分辨率：工业、医疗级的应用通常要求高精度。ADC 分辨率越高，采集回来信号的精度就越高，但转换时间也会增加。我们要根据系统对输入信号的采集精度，来选择适用的分辨率，如 12位、16位、18位或 24位。要注意 ADC 的有效位数（ENOB）通常低于 ADC 标称的分辨率。而且 ENOB 性能也可能随输入频率变化而变化。所以我们要综合考虑一些具体参数，例如 DNL/INL（静态非线性）以及 SNR / THD / SFDR（信噪比 / 谐波失真 / 无杂散动态范围）等。此外，以上指标通常衡量“相对精度”（即线性度），因为在诸如各类通讯系统和控制系统应用中线性度是最重要的指标。在另外一些应用中（如精密测量系统），也重视“绝对精度”（包括增益误差 / 零位偏移）。由于“绝对精度”取决于除了 ADC 本身性能以外的其他参数的，如输入模拟前端、参考源等，这时常需要进行系统级误差校准。

采样率：根据应用场景，选择合适的采样率。高速应用（如工业级高速闭合伺服控制环路）需要高采样率（0.1 - 100Msps 量级），而低速应用（如温度、压力、湿度监测）则可以使用较低的采样率（10 - 1000sps 量级）。

ADC 架构：常用ADC架构有逐次逼近型（SAR）、ΔΣ（Delta-Sigma）及流水线型（Pipelined）。SAR 架构适用于中高速和高精度应用，ΔΣ 适用于低速、高精度或超高精度应用领域。流水线型 ADC 适合于 1MHz - 10GHz 的高速 / 超高速数据采集应用，如通信、数字示波器、频谱分析仪。

02前端信号调理

模拟前端设计：为了保证 ADC 的测量精度，输入信号需要经过模拟信号调理。常用的信号调理方法包括信号放大及缓冲、增益调节、斩波、滤波器、隔离器等，来处理各种不同的传感器信号。

滤波器设计：为了避免量化后的信号混叠，通常在 ADC 前加入低通滤波器, 即抗混叠滤波器（Anti-Aliasing Filter）。ΔΣ ADC 内部常带有数字滤波器，但 ADC 输入端前仍然可能需要加入模拟低通滤波器来消除高频噪声干扰。

03抗干扰和信号完整性

电源和地设计：工业环境中可能存在较多的电磁干扰（EMI），需要特别注意 ADC 的供电电源设计和接地方式。可以使用隔离电源、屏蔽线、精密接地和去耦电容，可以有效减少电源纹波对 ADC 的干扰。

共模噪声处理：使用差分信号输入可以有效降低共模噪声，从而提高信号的信噪比。在存在较大共模噪声干扰的电路板上，建议 ADC 输入通常采用差分信号走线模式来降低共模噪声的干扰。

噪声敏感性：选择低噪声的 ADC 和前端电路，如低噪声运算放大器、稳压器及参考源等。设计时需要尽量减少信号链中其他器件引入的噪声。

04ADC 通信接口选择

SPI / I²C / 并行接口：许多 ADC 通过 SPI / I²C / 并行接口总线与上位处理器进行数据通信。SPI 总线的最高时钟频率 SCK 可以高达 40MHz，因此可以提供更高的数据通信、传输速度。而 I²C 接口适用于低速，多 ADC 共享总线的分布式 ADC 数据采集系统，I²C 接口的典型工作时钟频率为 100 / 400 / 3400kHz。并行接口适用于高速数据采集应用，如数据采样率为 1MSPS - 10GSPS 的应用场景。

隔离通信：为了避免工业环境中的共模噪声，或者感应电流环干扰，我们可以使用光电隔离器、隔离放大器或隔离的 SPI / I²C 接口器件来保护 ADC 及上位控制器。

05校准与温度补偿

温度补偿：工业应用环境温度变化较大，ADC 的增益、零位偏移等参数可能随温度变化。在高精度测量应用中，我们可能需要考虑温度补偿，或使用具有内置温度传感器的 ADC，来感知 ADC 工作环境温度的变化。

增益、零位偏移校准：信号链路的增益误差通常来自前端信号调理放大器、参考源及 ADC，因此对增益误差敏感的应用中，如优于 0.1% 的高精度测量系统，我们可以采用固件（Firmware）定期自动对整个信号链路进行多点校准（包括增益、零位偏移校准）以保证数据采集模块的精度。也可以根据模块的使用温度变化，来进行自动温度补偿，以保证全温度工作范围内数据采集精度。

06容错与安全性

冗余设计：在重要的工业应用中，数据采集模块需要冗余设计，如使用多个 ADC 或多采集路径以提高系统可靠性。

过压保护：在设计 ADC 输入时，必须确保输入端有过压保护，以免意外的电压峰值干扰损坏 ADC 器件，进而导致整个系统崩溃。

07稳健性和长期可靠性

工业级组件选择：选用高可靠性的工业级 ADC 和其他电子元件，这些组件通常具有更高的温度适应性和更长的寿命。

封装和环境适应性：考虑模块在恶劣工业环境下的适应性，如防尘、防水（IP 等级）、防潮、抗腐蚀等。

08软件与固件

错误检测与处理：设计数据采集模块时，上位机控制软件中应包含错误检测与处理机制，如校验码、看门狗、容错处理等功能。

数据滤波和处理：在采集到的数据中，通常需要进行一些滤波处理（如平均滤波、卡尔曼滤波等）以去除噪声干扰并保证数据稳定性、准确性。

MPS 可以基于上述技术要点，有效设计出高精度、可靠、稳健的工业级数据采集模块，满足您的各种特殊应用需求。

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